VVER-1000型機組人員閘門故障分析與優化改進

易良川

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

0 引言

田灣核電站1號2號機人員閘門有兩道實體密封閘門，可確保機組運行期間人員進出反應堆廠房時，始終有一道門處于密封狀態，維持反應堆廠房的正常負壓狀態。在田灣核電站人員閘門歷史運行過程中曾多次出現故障，為了防止和減少此類故障的發生，維修人員針對這些故障進行了改進和優化。

1 人員閘門設備

田灣核電站1號2號機組人員閘門主要由承壓殼體、門板、傳動機構、驅動電機、應急通風裝置、壓力平衡閥、密封泄漏檢測系統、電氣控制系統等部件組成[1]。

1.1 人員閘門傳動機構

傳動機構主要由驅動電機、手輪輸入組件、齒輪分配機構、內外門傳動機構、內外門密封驅動軸等部分組成[2]，結構如圖1所示。

1.2 人員閘門電動操作與控制原理

（1）閘門投入電動模式：拔出內外門及中艙手輪使其擋塊壓住限位開關觸點，將閘門置于電動操作模式。

（2）閘門啟閉：按下開啟外門按鈕，外（內）門解密封并開啟，直到門板觸發開門到位限位開關后停止，外（內）門開啟完畢；按下關閉外（內）門按鈕，門板閉合觸發關門到位限位開關，外門密封驅動軸旋轉到位后觸發密封限位開關，當且僅當關門到位和密封限位開關都觸發時，控制面板顯示外（內）門密封，否則無法電動開啟內（外）門。

圖1 人員閘門傳動機構

1.3 密封泄漏監測系統工作原理

機組運行期間，人員閘門內外門保持密封，補氣系統向閘門艙充壓縮空氣，艙內保持110～120 kPa壓力（絕對壓力），系統通過監測艙內壓力變化以達到監測閘門密封性的目的。密封泄漏監測系統工作邏輯：在主控將人員閘門投禁止操作工況后，當閘門艙內與安全殼外的壓力差≤10 kPa時，電磁閥動作，開始補氣；當閘門艙內與安全殼外的壓力差≥20 kPa，或者電磁閥啟動時間超過15 min時，電磁閥斷電，停止補氣；電磁閥停止補氣后30 min內，如果閘門艙內與安全殼外的壓力差≤12 kPa，閘門失密封報警。

2 人員閘門典型故障及優化改進

2.1 傳動機構球頭螺栓故障及優化改進

在人員進出安全殼的高峰期，人員閘門操作頻繁造成閘門傳動機構連桿球頭鎖緊螺母松動，導致人員閘門球頭螺栓多次發生斷裂故障。經統計，自人員閘門運行以來，共發生過20余次球頭螺栓松動或斷裂故障，其中3次造成閘門雙開，導致安全殼負壓上漲。故障發生的主要原因有以下2個方面：

（1）閘門電動開啟時，艙內外壓差較大導致門板受到阻力過大不動作，直到傳動機構產生的扭矩大于阻力時，門板突然被彈開，球頭螺栓因受到強大的沖擊力產生疲勞損傷斷裂。

（2）傳動機構的球頭螺栓沒有防松脫裝置，頻繁操作閘門導致螺母松動，進而使螺紋區域發生疲勞斷裂。

為了防止和減少此類故障的發生，進行以下優化改進：

（1）針對球頭螺栓容易松動的情況，在球頭螺栓上加工一個銷孔，用花螺母替代原來的普通螺母，擰緊螺母后使用開口銷穿過銷孔卡住花螺母，防止螺母松動。

（2）針對球頭螺栓斷裂故障，對控制邏輯進行更改，改為艙內與殼外壓力相同時方可電動操作閘門，防止球頭螺栓受到較大沖擊力。

2.2 限位開關故障及優化改進

故障模式1：發現人員閘門外門關閉到位后無法顯示密封。故障原因：關門到位限位開關是俄供ПК1-01型接觸式限位開關，由于人員閘門門板慣性較大，碰到門框膠條后會回彈并反復振蕩，門板強大的沖擊力和反復觸碰限位開關觸頭造成關門到位限位開關觸頭及擋塊磨損嚴重，進而導致門板關閉時關門到位限位開關失效。根據人員閘門工作原理，只有當關門到位和密封限位開關都觸發時，人員閘門外門才能顯示密封。但因關門到位限位開關失效，所以外門密封后無密封信號顯示。

故障模式2：門板開到位后，開門到位限位開關未能有效觸發，導致傳動機構卡死。故障原因：由于人員閘門內門開門到位限位開關經多次觸碰后發生松動，進行內門開啟時門板開度到位后無法觸發限位開關并給出電機停止信號，電機持續轉動使閘門位置指示器指針越過內門全開位置到達指示器滑槽限位置。指示器指針通過螺母與絲桿配合傳動，當指針走到極限位置后被殼體卡住無法繼續移動，此時傳動機構帶動指示器絲桿繼續轉動，導致指示器螺母和絲桿之間產生力矩，使整個傳動機構無法動作。

故障模式3：閉鎖軸限位開關故障導致內外門同時出現非密封信號。故障原因：人員閘門經過多次啟閉后，閉鎖軸處的限位開關觸頭卡澀，限位開關觸頭不能正常回彈，導致在外門沒有顯示密封的情況下電機持續轉動使內門出現解密封信號。

針對以上3類故障，進行以下優化改進：

（1）將4臺人員閘門的關門到位和密封限位開關改為TOPWORX公司生產的非接觸式限位開關。更換后，門板關閉時不會觸碰和損傷限位開關，在人員閘門后續運行過程中，該限位開關狀態良好，未再發生故障。

（2）對人員閘門操作規程升版優化。在操作規程中規定：在開啟人員閘門時，操作人員必須在閘門開啟到人員能夠順利通過的開度時，手動按下停止按鈕，以防止閘門開過限位。

2.3 門框密封膠條故障及改進

1號2號機組人員閘門門框密封膠條是確保人員閘門密封性的重要部件，其截面如圖2a所示，材質為硅橡膠。維修過程中，多次出現被壓扁無法回彈，甚至壓破等現象。

經過分析發現，人員閘門門框密封膠條易發故障的原因如下：（1）硅橡膠壓縮永久變形量大，彈性差，易老化破損。

（2）俄供密封膠條通過擠出式工藝生產，膠條截面尺寸不不均勻，負公差的密封膠條與門框密封槽的配合較松；另一方面，門板壓縮密封膠條時凸出部分容易發生傾斜，導致密封膠條的密封性較差。

針對俄供人員閘門門框密封膠條所存在的問題，對門框密封膠條進行國產化替代，主要改進如下：

（1）將膠條材質優化為三元乙丙橡膠。三元乙丙橡膠具有壓縮永久變形小、物理機械性能和耐輻照性能好等優點，現已在國內核電站人員閘門上普遍使用。

（2）對膠條截面尺寸進行優化。針對原俄供膠條易傾倒且密封性差的缺點，國產膠條對膠條截面進行優化，增加膠條凸出部分根部寬度，以提高膠條的密封性能，國產膠條截面尺寸如圖2b所示。

通過對膠條截面和材質的改進，人員閘門門框密封膠條的密封性能得到了大幅提升，且從國內采購膠條備件價格低、周期短。

圖2 人員閘門門框密封圈截面

3 今后改進方向

田灣核電站1號2號機組人員閘門經過多年運行經驗的積累及改進，性能得到了較大的提高，但仍有諸多問題有待改進。如：人員閘門限位開關或傳動機構出現失效導致原本處于密封的一扇門出現解密封信號的問題，需要研究措施防止雙開。